JP5403129B2 - パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板に半導体素子が接合されたパワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなるセラミックス基板（絶縁層）上に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。なお、この種のパワーモジュール用基板としては、セラミックス基板の下面にも放熱のために、熱伝導性が優れたヒートシンクを接合して、放熱させる構造としたものが知られている。

回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。

特許第３１７１２３４号公報 特許第３２１１８５６号公報

ところで、特許文献１で示すパワーモジュールにおいては、回路層が比較的変形抵抗の小さなアルミニウム板で構成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板と回路層との間に生じる熱応力を回路層によって吸収することができるものの、パワーサイクルが負荷された際に、半導体素子と回路層を接合するはんだにクラックが生じてパワーモジュールの信頼性が低下する場合がある。また、アルミニウムは銅と比べて熱伝導性が劣るので、アルミニウム板で構成された回路層は、銅で構成された回路層と比べて放熱性が劣る。さらには、アルミニウムは、その表面にアルミニウムの酸化被膜が形成されるため、そのままでは、回路層と半導体素子とをはんだで良好に接合することは困難である。

一方、特許文献２に示すように、回路層が銅板で構成されている場合には、銅は比較的変形抵抗が高いため、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板と銅板との間に生じる熱応力によって、セラミックス基板に割れが発生する場合があった。

特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子からの発熱量が大きくなり、ヒートサイクル及びパワーサイクルの条件が厳しくなっている。そのため、アルミニウムで回路層を構成した場合は、パワーサイクルが負荷された際に、パワーモジュールの信頼性が低下することが問題となる。また、銅で回路層を構成した場合は、ヒートサイクルが負荷された際に、パワーモジュールの信頼性が低下することが問題となる。
このように、銅で構成された回路層は、パワーサイクルに対する信頼性は高いものの、ヒートサイクルに対する信頼性が低下し、アルミニウムで構成された回路層はヒートサイクルに対する信頼性は高いものの、パワーサイクルに対する信頼性が低下することとなる。よって、従来はパワーサイクルもしくはヒートサイクルのどちらか一方の信頼性を優先することしかできず、両方の信頼性を両立させることはできなかった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、パワーサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制するとともに、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板に割れが生じることを抑制し、パワーサイクル及びヒートサイクルの負荷に対して高い信頼性を有するパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層の一方側に、固相拡散接合によって積層された銅層と、を有し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、ＣｕとＡｌからなる拡散層が形成されており、前記拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされていることを特徴としている。

本発明のパワーモジュール用基板によれば、回路層が銅層を有しており、この銅層の上に半導体素子が搭載された場合には、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層の銅層で面方向に拡げて効率的に放散することができる。
さらに、セラミックス基板の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層が形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合にセラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力をアルミニウム層が吸収するので、セラミックス基板に割れが発生することを抑制でき、接合に対する高い信頼性を得ることができる。
また、アルミニウム層の一方側には、比較的変形抵抗の大きい銅層が形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する信頼性を得ることができる。
また、アルミニウム層と銅層とは、固相拡散接合によって接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、アルミニウム層と銅層との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
また、アルミニウム層と銅層との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる拡散層が形成されていることから、アルミニウム層中のＡｌ（アルミニウム原子）と銅層中のＣｕ（銅原子）とが十分に相互拡散しており、アルミニウム層と銅層とが強固に接合されている。
なお、アルミニウム層の一方側とは、セラミックス基板と接合されていない面側のことである。

また、前記拡散層は、前記銅層と前記拡散層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散している構成としても良い。
銅層と拡散層との接合界面には、酸化物が、接合界面に沿って層状に分散していることから、アルミニウム層の表面に形成された酸化膜が破壊されて固相拡散接合が十分に進行している。

また、前記銅層の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされていても良い。
上記の範囲に銅層の厚さを設定することによって、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層の銅層で面方向に熱を拡げてより効率的に放散することができるので、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することが可能である。さらには、パワーサイクル負荷後においてもはんだに割れが発生することを抑制できるので、熱抵抗の上昇を抑制することが可能である。

また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記パワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方側に接合されたヒートシンクと、を備えていることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、上述のようなパワーモジュール用基板の他方側にヒートシンクが接合されているので、パワーモジュール用基板側の熱をヒートシンクへ効率的に放散することができる。

また、本発明のパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明のパワーモジュールによれば、上述のようなパワーモジュール用基板を用いているので、パワーサイクルが負荷された場合に、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層の銅層で面方向に拡げて、効率的に放散することができる。そして、半導体素子の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
また、半導体素子がはんだを介して銅層に接合される構成とされているので、アルミニウムで回路層を構成した場合と比較して、はんだ接合を良好に行うことができる。
なお回路層の一方側とは、セラミックス基板と接合されていない面側のことである。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の一方の面に、回路層を形成する回路層形成工程を備え、前記回路層形成工程は、前記セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、このアルミニウム層形成工程の後に、前記アルミニウム層の一方側に、銅層を積層する銅層積層工程と、を有し、前記銅層積層工程において、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる拡散層を形成する構成とされており、前記拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされていることを特徴としている。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層形成工程は、アルミニウム層配設工程と、銅層積層工程とを備え、銅層積層工程においてアルミニウム層と銅層とを固相拡散接合する構成とされているので、アルミニウム層と銅層とが固相拡散によって接合された回路層を備えたパワーモジュール用基板を得ることができる。

また、前記銅層積層工程において、前記アルミニウム層の一方側に銅層を積層し、前記アルミニウム層と前記銅層に対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合する構成とされても良い。
このような条件で固相拡散接合を行うことにより、アルミニウム層と銅層とを確実に固相拡散によって接合できる。また、アルミニウム層と銅層との界面に、隙間が生じることを抑制することが可能である。

本発明によれば、パワーサイクル負荷時において熱抵抗の上昇を抑制するとともに、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板に割れが生じることを抑制し、パワーサイクル及びヒートサイクルの負荷に対して高い信頼性を有するパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るパワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。 図１のアルミニウム層と銅層との界面の拡大図である。 図２の拡散層の拡大説明図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。

以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０を示す。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。

はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と半導体素子３とを接合するものである。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１とを備えている。

そして、パワーモジュール用基板１０は、図１で示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。

セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。

回路層１２は、図１で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された銅層１２Ｂと、を有している。
アルミニウム層１２Ａは、図５に示すように、アルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。

銅層１２Ｂは、アルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に接合されることにより形成されている。本実施形態においては、銅層１２Ｂは、図５に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２Ｂがアルミニウム層１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。
そして、これらのアルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの界面には、図２で示すように、拡散層１２Ｃが形成されている。この銅板２２Ｂの厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。

拡散層１２Ｃは、アルミニウム層１２Ａのアルミニウム原子と、銅層１２Ｂの銅原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層１２Ｃにおいては、アルミニウム層１２Ａから銅層１２Ｂに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。

図３に、拡散層１２Ｃの拡大説明図を示す。この拡散層１２Ｃは、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層１２Ｃの厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図３に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム層１２Ａ側から銅層１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７、ζ２相１８とされている。

また、この拡散層１２Ｃと銅層１２Ｂとの接合界面には、酸化物１９が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物１９は、拡散層１２Ｃと銅層１２Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、拡散層１２Ｃと銅層１２Ｂとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、銅層１２Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。

ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（Ａｌ合金）で構成されている。このヒートシンク３１には、冷却用の流体が流れるための流路３２が設けられている。
そして、本実施形態においては、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク３１とが、接合層３３を介して接合されている。

接合層３３は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１とを接合するものである。本実施形態においては、図５に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板４３が、金属層１３とヒートシンク３１との間に配置されて固相拡散接合されることによって、金属層１３とヒートシンク３１とが接合層３３を介して接合されるようになっている。この接合層３３には、相互拡散によるアルミニウムと銅の濃度勾配が形成されている。

次に、本実施形態であるパワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。
まず、図５で示すように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介してアルミニウム板２２Ａ、２３を積層する。そして、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３を接合し、アルミニウム層１２Ａ及び金属層１３を形成する（アルミニウム層及び金属層接合工程Ｓ１１）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。

次に、図５で示すように、アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板２２Ｂを配置し、金属層１３の他方側に銅板４３を配置し、銅板４３の他方側にはさらにヒートシンク３１を配置する。そして、一方側及び他方側から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａ及び銅板２２Ｂ、金属層１３及び銅板４３、ヒートシンク３１及び銅板４３との接触面に負荷される荷重は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行い、アルミニウム層１２Ａに銅板２２Ｂを接合して銅層１２Ｂを形成すると同時に、金属層１３とヒートシンク３１とを、接合層３３を介して接合する（銅層及びヒートシンク接合工程Ｓ１２）。本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂ、金属層１３と銅板４３、ヒートシンク３１と銅板４３の接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
なお、同時に、アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板２２Ｂを固相拡散接合し、金属層１３の他方側に銅板４３を固相拡散接合し、銅板４３の他方側にはさらにヒートシンク３１を固相拡散接合する場合の真空加熱の好ましい加熱温度は、アルミニウム板２２Ａを構成する金属（Ａｌ）と銅板２２Ｂを構成する金属（Ｃｕ）、アルミニウム板２３を構成する金属（Ａｌ）と銅板４３を構成する金属（Ｃｕ）、及びヒートシンク３１を構成する金属（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）と銅板４３を構成する金属（Ｃｕ）、の共晶温度のうち、最も低い共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲とされている。

こうして、アルミニウム層１２Ａと、アルミニウム層１２Ａの一方側に積層された銅層１２Ｂと、を有する回路層１２が形成されるようになっている。
上述のようにして、本実施形態であるセラミックス基板１１の一方側に回路層１２が形成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、及びパワーモジュール用基板１０が得られる。

そして、回路層１２の一方側（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
上述のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、及びパワーモジュール用基板１０によれば、回路層１２が銅層１２Ｂを有し、銅層１２Ｂの上に半導体素子３が搭載されるので、アルミニウムで構成された回路層と比べて、半導体素子３から発生する熱を回路層１２の銅層１２Ｂで面方向に拡げ、効率的にパワーモジュール用基板１０側へ放散することができる。

さらに、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウムで構成されたアルミニウム層１２Ａ及び金属層１３が形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力をアルミニウム層１２Ａ及び金属層１３が吸収するので、ヒートサイクルに対する高い信頼性を得ることができる。

また、アルミニウム層１２Ａの一方側には、比較的変形抵抗の大きい銅層１２Ｂが形成されており、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層１２の変形を抑制することができるため熱抵抗の上昇を抑制でき、パワーサイクルに対する高い信頼性を得ることができる。

また、本実施形態では、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの間に、ＣｕとＡｌの拡散層からなる拡散層１２Ｃが形成されているので、アルミニウム層１２Ａ中のＡｌが銅層１２Ｂ側へ、銅層１２Ｂ中のＣｕがアルミニウム層１２Ａ側へと十分に相互拡散し、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとが確実に固相拡散接合されており、接合強度を確保することができる。

また、銅層１２Ｂと拡散層１２Ｃとの接合界面に、酸化物１９が接合界面に沿って層状に分散しているので、アルミニウム層１２Ａに形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、銅層１２Ｂと拡散層１２Ｃとが確実に接合されている。

また、本実施形態では、拡散層１２Ｃは、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、銅層１２Ｂ中のＣｕとアルミニウム層１２Ａ中のＡｌとが相互拡散することにより、銅層１２Ｂ側からアルミニウム層１２Ａ側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されていることから、接合界面の特性を安定させることができる。
具体的には、拡散層１２Ｃは、アルミニウム層１２Ａ側から銅層１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７、ζ２相１８の３種の金属間化合物が積層しているので、拡散層１２Ｃ内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。

さらに、本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、銅層１２Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、アルミニウム層１２Ａ及び銅層１２Ｂの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、アルミニウム層１２Ａ及び銅層１２Ｂに過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。

さらに、本実施形態においては、拡散層１２Ｃの平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとを強固に接合できるとともに、アルミニウム層１２Ａ及び銅層１２Ｂに比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。

ここで、銅板２２Ｂの好ましい厚さは０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされている。
銅板２２Ｂを０．１ｍｍ以上とすることで、半導体素子３からの熱を銅層１２Ｂで拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板２２Ｂを６．０ｍｍ以下とすることで、回路層１２の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。

上述のようなパワーモジュール用基板１０、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を用いたパワーモジュール１においては、半導体素子３から発生する熱を効率的に放散することができる。そして、半導体素子３の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子３を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとは、固相拡散接合によって接合されているので、セラミックス基板１１の一方側に形成されたアルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとを有する回路層１２を得ることができる。

また、固相拡散接合は、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム層１２Ａ及び金属層１３を形成し、アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板２２Ｂを配置し、金属層１３の他方側に銅板４３とヒートシンク３１とを配置した後に、アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂ、金属層１３と銅板４３、ヒートシンク３１と銅板４３に対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重が負荷された状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持する構成とされている。このような構成にすることによって、アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂが十分に密着した状態で、アルミニウム層１２Ａ中に銅板２２Ｂの銅原子を固相拡散させ、銅板２２Ｂ中にアルミニウム層１２Ａのアルミニウム原子を固相拡散させて固相拡散接合し、アルミニウム層１２Ａの一方側に銅層１２Ｂを確実に形成することができる。

さらに、このように固相拡散接合を行うことで、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの間に隙間が生じることを抑制してアルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとを接合することができるので、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの接合界面における熱伝導性及び導電性を良好にし、半導体素子３から生じる熱をセラミックス基板１１側に効率的に放散することが可能である。さらには、固相拡散接合されたアルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの界面には、拡散層１２Ｃが形成されている。この拡散層１２Ｃは、固相拡散によって形成されているので、接合強度が高い。そのため、ヒートサイクル及びパワーサイクルが負荷された際に、界面の剥離が生じ難く良好な接合状態を保つことができ、熱伝導性及び導電性を維持することが可能である。

また、金属層１３と銅板４３、ヒートシンク３１と銅板４３がそれぞれ固相拡散接合され、接合層３３を介して金属層１３とヒートシンク３１とを接合することができる。さらに、上述のような条件で固相拡散接合を行うことで、金属層１３とヒートシンク３１との間に隙間が生じることを抑制して、接合層３３を介して接合することができるので、金属層１３とヒートシンク３１との間における熱伝導性を良好にすることができる。また、金属層１３とヒートシンク３１とは、接合層３３によって強固に接合されており、ヒートサイクル及びパワーサイクルが負荷された際に、金属層１３と接合層３３、ヒートシンク３１と接合層３３との界面の剥離が生じ難く良好な接合状態を保つことができ、熱伝導性を維持することが可能である。

固相拡散接合する際にアルミニウム層１２Ａ及び銅板２２Ｂに対して負荷される荷重が３ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合は、アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂとを十分に接合させることが困難となり、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの間に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがあるため、固相拡散接合の際に負荷される荷重は、上記の範囲に設定されている。

固相拡散接合する際の温度が４００℃以上の場合には、アルミニウム原子と銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、５４８℃未満の場合には、アルミニウムと銅との間で液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度は、４００℃以上５４８℃未満の範囲に設定されている。

また、固相拡散接合時におけるより望ましい熱処理温度は、アルミニウム板２２Ａを構成する金属（Ａｌ）と銅板２２Ｂを構成する金属（Ｃｕ）の共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲とされている。このような共晶温度（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲を選択したときには、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できるため上記のように設定されている。

また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、アルミニウム層１２Ａと銅板２２Ｂ、金属層１３と銅板４３、ヒートシンク３１と銅板４３、の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。

また、半導体素子３がはんだ層２を介して銅層１２Ｂに接合される構成とされているので、アルミニウムのみで構成された回路層に接合される場合と比べて、はんだ付けを良好に行うことが可能である。

また、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１とが接合層３３を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との間に、アルミニウムや銅と比較して熱伝導性が劣るはんだやグリースを介在させていないので、金属層１３とヒートシンク３１との間の熱伝導性を向上させることができる。
また、銅層１２Ｂ及びヒートシンク３１を一度に接合可能な構成とされているので、製造コストを大幅に低減することが可能である。

また、本実施形態であるパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０の下方にヒートシンク３１を備えているので、半導体素子３から発生する熱がパワーモジュール用基板１０側に伝達され、ヒートシンク３１を介して熱を効率的に放散することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

なお、上記の実施形態においては、銅層とヒートシンクとを固相拡散接合によって、同時に接合する場合について説明したが、銅層を固相拡散接合で形成した後に、ヒートシンクを固相拡散接合する構成とされても良い。
また、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層を形成した後に、アルミニウム層の一方側に銅層を固相拡散接合する場合について説明したが、アルミニウム板と銅板を固相拡散接合した後に、セラミックス基板の一方の面に接合する構成とされても良い。

また、上記の実施形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に形成されるアルミニウム層及び金属層を、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金等であっても良い。

また、上記の実施形態では、銅層は無酸素銅の銅板で構成されている場合について説明したが、これに限定されることはなく、その他の純銅や銅合金等の銅板で構成されても良い。
さらに、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成しても良い。

また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板が金属層を備える場合について説明したが、金属層を備えていなくても良い。
また、上記実施の形態では、パワーモジュールがヒートシンクを備える場合について説明したが、ヒートシンクを備えていなくても良い。

また、上記実施の形態では、パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの間に銅板を介在させて固相拡散接合によって接合する場合について説明したが、金属層とヒートシンクとを、はんだやネジ留めなどによって接合しても良い。

（実施例１）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例１）の結果について説明する。
図４のフロー図に記載した手順に従って、表１に示す条件で固相拡散接合を行い、発明例１−１〜１−１０のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
また、回路層のアルミニウム層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのものを使用した。
回路層の銅層は、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのものを使用した。
金属層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのものを使用した。
接合層は、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのものを使用し、ヒートシンクは、Ａ６０６３合金の圧延板で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内で行った。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。

（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクル実施した。
（パワーサイクル試験）
パワーサイクル試験は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いてＩＧＢＴ素子を銅層へはんだ付けするとともに、アルミニウム合金からなる接続配線をボンディングしてヒートシンク付パワーモジュールとし、これを用いて行った。ヒートシンク中の冷却水温度、流量を一定とした状態で、ＩＧＢＴ素子への通電を、通電（ＯＮ）で素子表面温度１４０℃、非通電（ＯＦＦ）で素子表面温度８０℃となる１サイクルを１０秒毎に繰り返すようにして調整し、これを１０万回繰り返すパワーサイクル試験を実施した。
このヒートサイクル試験前後及びパワーサイクル試験前後における、アルミニウム層と銅層との界面における接合率及びヒートシンク付パワーモジュールの熱抵抗を測定した。

（アルミニウム層と銅層との界面の接合率評価）
パワーサイクル試験前後のヒートシンク付パワーモジュールに対して、アルミニウム層と銅層との界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例ではアルミニウム層及び銅層の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）

（熱抵抗評価）
熱抵抗は、次のようにして測定した。ヒータチップ（半導体素子）を１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、ヒートシンクを流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
上記の評価の結果を表１に示す。

発明例１−１〜１−１０では、パワーサイクル試験後及びヒートサイクル試験後の接合率が共に高く、パワーサイクル負荷及びヒートサイクル負荷に対する高い接合の信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。
また、発明例１−１〜１−６では、パワーサイクル試験後及びヒートサイクル試験後の接合率が共にさらに高く、パワーサイクル負荷及びヒートサイクル負荷に対し、さらに高い接合の信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。

（実施例２）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例２）の結果について説明する。
図４のフロー図に記載した手順に従って、荷重：９ｋｇｆ／ｃｍ^２、温度：５４０℃、保持時間：１８０分の条件で固相拡散接合を行い、発明例２−１〜２−８のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。
回路層のアルミニウム層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、発明例２−１〜２−７においては厚さ０．６ｍｍのものを、発明例２−８においては厚さ０．１ｍｍのものを使用した。
回路層の銅層は、無酸素銅の圧延板（銅板）で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍのものを使用し、銅板の厚さは表２に示す厚さに設定した。
金属層は、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ１．６ｍｍのものを使用した。
接合層は、無酸素銅の圧延板で構成され、３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍのものを使用し、ヒートシンクは、Ａ６０６３合金の圧延板で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
また、固相拡散接合は、真空加熱炉内の圧力が、１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内で行った。
半導体素子は、ＩＧＢＴ素子とし、１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのものを使用した。

また、従来例１として次のヒートシンク付パワーモジュールを作製した。
まず、回路層となる無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板と金属層となる無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）とを、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、１０^−３Ｐａの真空雰囲気とした真空加熱炉内に装入し、８５０℃で１０分加熱することによって、接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次に前記パワーモジュール用基板とＩＧＢＴ素子（１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ）及びヒートシンクを接合し、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。

さらに、次の手段にて作製したヒートシンク付パワーモジュールを従来例２とした。
まず、回路層となるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板と金属層となるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．４ｍｍ）とを、Ａｌ−１０質量％Ｓｉのろう材箔を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって、接合しパワーモジュール用基板を作製した。次に前記パワーモジュール用基板とＩＧＢＴ素子（１２．５ｍｍ×９．５ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ）及びヒートシンクを接合し、ヒートシンク付パワーモジュールを作成した。

（ヒートサイクル試験）
実施例１と同様にして、ヒートシンク付パワーモジュールに対してヒートサイクル試験を行った。
このヒートサイクル試験後において、セラミックス基板と回路層との界面における接合率を測定した。
（セラミックス基板と回路層との界面の接合率評価）
ヒートサイクル試験後のヒートシンク付パワーモジュールに対して、セラミックス基板と回路層との界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では回路層の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。なお、ヒートサイクル試験においてセラミックス基板に割れが生じた場合、超音波探傷像において白色部として示され、接合率が小さくなる。したがって、接合率は、界面における剥離面積とセラミックス基板の割れの面積とが合わされて評価されたものである。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）

（パワーサイクル試験）
実施例１と同様に、ヒートシンク付パワーモジュールに対してパワーサイクル試験を行った。
このパワーサイクル試験における初期の熱抵抗、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗を測定した。熱抵抗の測定については、実施例１と同様の方法で行った。
上記の評価の結果を表２に示す。

従来例１では、パワーサイクル試験の初期の熱抵抗、及びパワーサイクル試験後の熱抵抗の上昇が小さいが、ヒートサイクル試験においてセラミックス基板に割れが生じ、セラミックス基板と回路層との界面における接合率が低下した。
また、従来例２では、ヒートサイクル試験後のセラミックス基板と回路層との間の接合率は高いが、パワーサイクル試験において初期の熱抵抗が大きく、試験後の熱抵抗の上昇も大きかった。
一方、発明例２−１〜２−８では、パワーサイクル試験において初期の熱抵抗が小さく、試験後の熱抵抗の上昇も小さく良好であった。さらに、ヒートサイクル試験後において、セラミックス基板とアルミニウム層（回路層）との界面における接合率が大きく良好であった。このように、発明例２−１〜２−８は、パワーサイクル及びヒートサイクルの負荷に対して高い信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュールであることが確認できた。

１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層
１２Ａ アルミニウム層
１２Ｂ 銅層
１２Ｃ 拡散層
１３ 金属層
３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１ ヒートシンク

Claims (7)

1. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
   前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、
   前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層の一方側に、固相拡散接合によって積層された銅層と、を有し、
   前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面には、ＣｕとＡｌからなる拡散層が形成されており、
   前記拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記銅層と前記拡散層との接合界面には、酸化物が、前記接合界面に沿って層状に分散していることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記銅層の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の前記パワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板の他方側に接合されたヒートシンクと、を備えていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層の一方側に接合された半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
6. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記セラミックス基板の一方の面に、回路層を形成する回路層形成工程を備え、
   前記回路層形成工程は、
   前記セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、
   このアルミニウム層形成工程の後に、前記アルミニウム層の一方側に、銅層を積層する銅層積層工程と、を有し、
   前記銅層積層工程において、前記アルミニウム層と前記銅層とを固相拡散接合し、前記アルミニウム層と前記銅層との接合界面に、ＣｕとＡｌからなる拡散層を形成する構成とされており、
   前記拡散層は、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
7. 前記銅層積層工程において、
   前記アルミニウム層の一方側に銅板を積層し、
   前記アルミニウム層と前記銅板に対して、３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記アルミニウム層と前記銅板とを固相拡散接合することを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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